Физические основы радиационного контроля

 

Радиационный контроль материалов и изделий основан на законе ослабления интенсивности ионизирующего излучения, проходящего сквозь объект.

Среди используемых видов ионизирующих излучений для целей НК наибольшее применение нашли рентгеновское излучение (R -) и гамма - излучение (g -), которые одинаковы по своей природе и представляют собой высокочастотные электромагнитные волны, распространяющиеся в вакууме со скоростью С = 2,998·10⁸ м/с (скорость света). Они подчиняются одинаковым закономерностям при взаимодействии с материалом контролируемых объектов. Их принципиальное отличие заключается в механизме их возникновения: g -излучение – естественного происхождения и представляет собой продукт распада ядер атомов, R -излучение – внеядерного, искусственного происхождения. Эти два вида излучений отличаются от других разновидностей электромагнитных колебаний малой длиной волны (рис. 5.1), а потому – высокой проникающей способностью.

Рис. 5.1. Шкала электромагнитных излучений, используемых в неразрушающем контроле: 1 – радиоволны; 2 – инфракрасное излучение; 3 – видимый свет; 4 – ультрафиолетовое излучение; 5 – рентгеновское излучение; 6 - g -излучение (n - частота излучения; l - длина волны)

R - излучение возникает в результате изменения скорости движения (торможения) электронов, образующих пучок катодных лучей 3, при столкновении с атомами анода 2 рентгеновской трубки (рис. 5.2, а).

 

 

Рис. 5.2. Схема двухэлектродной рентгеновской трубки (а) и характерный спектр рентгеновского излучения при различных значениях напряжения U на трубке (б): U ₁ < U ₂ < U ₃ < U ₄ (1– стеклянный баллон; 2 - анод; 3 – электронный пучок; 4 - катод; 5 – рентгеновское тормозное излучение; I – интенсивность излучения; l - длина волны излучения)

 

Катод 4 рентгеновской трубки изготовлен из вольфрамовой проволоки, анод 2 – из вольфрамовой пластинки. При подаче низкого напряжения (2¸12 В) на нить спирали катода из нее, вследствие термоэлектронной эмиссии, вылетают электроны, которые под действием электрического поля с большой скоростью движутся к аноду. В результате их торможения о вольфрамовую мишень катода часть кинетической энергии электронов превращается в R -излучение с непрерывным энергетическим спектром. Энергия R -излучения зависит от напряжения U на трубке (рис. 5.2, б), которое может достигать 200¸300 кВ. Проекция участка мишени анода, на котором генерируется R -излучение, называется фокусным пятном Ф трубки.

Тормозное излучение возникает при прохождении электрона через поле атома или ядра материала мишени, которым он тормозится. Движущийся с замедлением электрон в соответствии с законами электродинамики испускает порцию электромагнитной энергии, называемую квантом или фотоном. Энергия одного кванта равна:

E = h _П × n = h _П × C / l, (5.1)

где h _П = 6,63×10^-34 Дж/с – постоянная Планка, n - частота излучения.

Чем меньше длина l волны излучения, тем больше его энергия. Поэтому высокоэнергетические излучения называют иначе коротковолновыми или жесткими, низкоэнергетические – длинноволновыми или мягкими.

Кванты не несут электрического заряда, поэтому не отклоняются ни электрическим, ни магнитным полем. Выражение (5.1) справедливо и для других видов ионизирующих излучений, кванты которых обладают как свойствами частиц (фотоэффект, рассеяние), так и волновыми свойствами (преломление, дифракция, интерференция).

g - излучение возникает при самопроизвольном радиоактивном распаде естественных или искусственных изотопов (радионуклидов или нуклидов).

g -дефектоскопы изготовляют переносными, передвижными и стационарными. Переносные дефектоскопы используют в основном для просвечивания деталей в полевых (аэродромных) условиях и непосредственно в крупногабаритных конструкциях при ограниченных подходах к месту контроля, при отсутствии на месте работ источников питания, когда невозможно использовать рентгеновские аппараты, для работы вблизи взрыво- и пожароопасных объектов. Основным элементом g -дефектоскопов является источник излучения в виде ампулы из коррозионно-стойкой (нержавеющей) стали или алюминиевого сплава, заполненной радиоактивным изотопом. Проекция внутренней (активной) части ампулы в направлении просвечивания представляет собой фокусное пятно Ф источника.

Важнейшими характеристиками источников излучения являются энергия Е, активность Q, период полураспада T и постоянная распада l¢.

В отличие от R –излучения энергетический спектр g –излучения – дискретный (характеристический) с длиной волны, а следовательно, и с энергией Е g –квантов (см. выражение (5.1)), характерной для выбранного изотопа.

Активность источника определяется числом атомов N нуклида, распадающихся в единицу времени t:

Q = E × (dN/dt ) [Дж/c]. (5.2)

Для g –дефектоскопии применяют изотопы (⁶⁰ Co, ¹³⁷ Cs, ⁷⁵ Se, ¹⁹² Ir и др.) с высокой удельной активностью (активность 1 грамма нуклида). Активность источника определяет интенсивность g -излучения. С течением времени число атомов нуклида уменьшается по экспоненциальному закону (закон радиоактивного распада):

N _t = N ₀ × exp (- l¢ × t), (5.3)

где N ₀– число радиоактивных атомов в начальный момент времени; N _t - число оставшихся радиоактивных атомов по истечении времени t; l¢ - постоянная распада, характеризующая скорость распада.

Период полураспада Т – время, в течение которого число радиоактивных атомов уменьшается в 2 раза:

Т = ln 2 / l¢ = 0,693 / l¢. (5.4)

Подставив l¢ из выражения (5.4) в формулу (5.3), получим выражение:

N _t = N ₀ × exp (- 0,693 t/ T), (5.5)

по которому строят графики в полулогарифмических координатах для определения активности источника после определенного промежутка времени и внесения поправок в экспозицию (длительность просвечивания).

К основным радиационно-дефектоскопическим характеристикам ионизирующих излучений относятся энергия кванта, плотность потока квантов и интенсивность излучения.

Плотность n [1/ (м²×с)] потока квантов представляет собой число квантов, пересекающих в единицу времени единицу площади поверхности, перпендикулярной к направлению движения квантов.

Интенсивность излучения I [Вт/м²] – это энергия, переносимая излучением в единицу времени сквозь единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению излучения. В простейшем случае характеристического излучения его интенсивность равна произведению энергии кванта Е на плотность потока n или, с учетом выражения (5.1):

I = n × E = n × h _П × n = n × h _П × C / l,(5.6)

В соответствии с законом сохранения энергии интенсивность излучений уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от источника излучения:

I ₁ / I ₂ = r ₂² / r ₁², (5.7)

где I ₁и I ₂– интенсивности излучения соответственно на расстоянии r ₁и r ₂от его источника.

Выражение (5.7) используется в радиационной дефектоскопии для пересчета экспозиции при изменении фокусного расстояния F – расстояния от источника до детектора излучения. Взаимодействие R - и g -излучений с материалом контролируемой детали приводит к ослаблению их интенсивности.

На рис. 5.3 схематично показаны процессы фотоэлектрического поглощения (а), комптоновского рассеяния кванта (б) и образования из кванта электрон-позитронной пары (в), являющиеся основными причинами потери излучениями своей энергии.

Фотоэлектрический эффект – это процесс, при котором квант, встретив атом материала, полностью передает свою энергию орбитальному электрону. При этом электрон переходит на оболочку с более высоким уровнем энергии или покидает атом, если его энергия превышает энергию связи электрона в атоме. Такой выбитый из атома электрон называется фотоэлектроном. Заполнение электроном оболочки сопровождается характеристическим вторичным излучением.

 

 

Рис. 5.3. Схема фотоэлектрического поглощения (а), комптоновского рассеяния излучения (б) и образования из кванта пары электрон-позитрон (в)

 

Рассеяние квантов – это процесс, при котором квант, встретив орбитальный электрон, изменяет свое направление. Комптоновское (некогерентное) рассеяние наблюдается при прохождении сквозь материал достаточно жесткого излучния с длиной волны l < 0,03 нм (Е = 0,3¸1 МэВ). Падающий квант, сталкиваясь с орбитальным электроном, отдает ему часть своей энергии и отклоняется от первоначального направления на угол j (рис. 5.3, б). Орбитальный электрон (электрон отдачи), получив импульс от кванта, покидает орбиту под углом y.

Образование пары частиц электрон-позитрон – это процесс поглощения квантов с энергией более 1,022 МэВ. Электрон и позитрон, образовавшиеся из кванта, имеют энергию 0,51 МэВ. Позитрон, замедлившись, соединяется с одним из электронов среды, что приводит к образованию двух квантов аннигиляционного вторичного излучения.

Закон ослабления интенсивности пучка излучения, прошедшего сквозь материал, описывается выражением:

I _h = I ₀ × exp (- m × h), (5.8)

где I ₀и I_h – интенсивности соответственно перед просвечиваемым объектом толщиной h и за ним; m - линейный коэффициент ослабления.

Линейный коэффициент ослабления в свою очередь зависит от плотности r материала детали и энергии Е излучения и в первом приближении равен:

m» m ₀ × r / Е, (5.9)

где m ₀– константа.

Из выражений (5.8) и (5.9) видно, что при постоянной энергии Е первичного излучения интенсивность I _h излучения, прошедшего сквозь деталь, уменьшается с увеличением плотности r итолщины h детали (рис. 5.4).

 

 

 

Рис. 5.4. Характерные эпюры интенсивностей ионизирующего излучения перед (I ₀) и за (I _h) деталью при соотношении плотностей r ₁ > r ₂ > r ₃ (r ₁, r ₂ и r ₃ – плотности инородного включения 1, материала контролируемой детали 2 и несплошности 3 соответственно)

 

Путем измерения интенсивности излучения за объектом определяют наличие в нем дефектов. По способу регистрации невидимых радиационных изображений методы радиационного контроля разделяют на 3 группы: радиографические, радиоскопические и радиометрические.